KR101350509B1 - THE MoN-Cu COATING LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING MoN-Cu COATING LAYER - Google Patents

THE MoN-Cu COATING LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING MoN-Cu COATING LAYER Download PDF

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Abstract

본 발명은 코팅층이 적용되는 분야에 따라 기판과 코팅층 사이에 해당 부품에서 요구되는 중간층의 밀착력을 확보하도록 한 MoN-Cu 코팅층 제조방법 및 그 MoN-Cu 코팅층에 관한 것이다.
이를 위해, 스틸재로 이루어진 기판과, 상기 기판에 코팅되는 MoN-Cu층 간의 밀착성 향상을 위해, MoN-Cu층을 코팅하기 이전에 상기 기판의 표면에 Mo-Cu 합금타겟을 이용하여 중간층을 스퍼터링 코팅하는 중간층 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.
상기한 구성에 따라, Mo-Cu 중간층 또는 Ti 중간층 코팅을 통해 높은 밀착력을 갖는 MoN-Cu 코팅층을 제조함으로써, 높은 경도와 밀착력, 그리고 우수한 마찰특성을 요하는 다양한 부품에 적용 가능한 효과가 있다.
The present invention relates to a MoN-Cu coating layer manufacturing method and its MoN-Cu coating layer to ensure the adhesion between the substrate and the coating layer of the intermediate layer required in the field depending on the application of the coating layer.
To this end, in order to improve adhesion between the substrate made of steel and the MoN-Cu layer coated on the substrate, the intermediate layer is sputtered on the surface of the substrate using a Mo-Cu alloy target before coating the MoN-Cu layer. It characterized in that it comprises an intermediate layer coating step of coating.
According to the above configuration, by producing a MoN-Cu coating layer having a high adhesion through the Mo-Cu interlayer or Ti interlayer coating, there is an effect that can be applied to a variety of parts that require high hardness and adhesion, and excellent friction characteristics.

Description

MoN-Cu 코팅층 제조방법 및 그 MoN-Cu 코팅층{THE MoN-Cu COATING LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING MoN-Cu COATING LAYER}MENO-Cu coating layer manufacturing method and its MO-Cu coating layer {THE MoN-Cu COATING LAYER AND METHOD FOR MANUFACTURING MoN-Cu COATING LAYER}

본 발명은 MoN-Cu 코팅층 제조방법 및 그 MoN-Cu 코팅층에 관한 것으로, 더욱 상세하게는 코팅층이 적용되는 분야에 따라 기판과 코팅층 사이에 해당 부품에서 요구되는 중간층의 밀착력을 확보하도록 한 MoN-Cu 코팅층 제조방법 및 그 MoN-Cu 코팅층에 관한 것이다.The present invention relates to a MoN-Cu coating layer manufacturing method and its MoN-Cu coating layer, more specifically MoN-Cu to ensure the adhesion of the intermediate layer required in the component between the substrate and the coating layer according to the application of the coating layer It relates to a coating layer manufacturing method and MoN-Cu coating layer thereof.

산업화가 가속화되고 자원이 고갈되면서 재료의 효율성을 높인 코팅기술이 다양하게 적용되고 있으며, 이러한 기술 수요가 늘어나면서 코팅 특성에 대한 연구 역시 다양한 방향과 방식으로 진행되고 있다.As industrialization accelerates and resources are depleted, a variety of coating technologies have been applied to increase the efficiency of materials. As the demand for these technologies increases, research on coating characteristics is also progressing in various directions and methods.

이에, 본 출원인이 국내에 선출원한 특허 출원번호 제2010-92005호를 살펴보면, MoN-Cu 코팅층이 Cu 함량에 따라, 20~35 GPa의 고경도의 박막을 형성하고, 이들 층이 고온 마찰 환경에서 윤활성이 우수한 마그넬리 산화물을 형성함으로서, 차세대 자동차 코팅재로 고려되고 있으며, 금형, 공구 등 내마모 및 윤활 특성이 요구되는 다양한 분야에 적용이 가능하다. 다만, MoN-Cu 코팅층이 자동차 부품의 코팅재나 금형, 공구의 코팅재로서 사용되기 위해서는 코팅층과 모재 사이의 밀착력을 향상시키는 것이 필수적이라 할 것이다.Thus, looking at the patent application No. 2010-92005 filed by the applicant in Korea, MoN-Cu coating layer forms a high hardness thin film of 20 ~ 35 GPa, depending on the Cu content, these layers in a high temperature friction environment By forming Magelli oxide having excellent lubricity, it is considered as a next-generation automotive coating material, and can be applied to various fields requiring wear resistance and lubrication characteristics such as molds and tools. However, in order for the MoN-Cu coating layer to be used as a coating material for metal parts, molds, or tools, it is necessary to improve the adhesion between the coating layer and the base material.

이에, 코팅재가 적용되는 분야에 따라 코팅층과 모재 사이의 요구되는 밀착력(adhesion force)이 다른 것으로, 자동차 코팅재에 적용하기 위해서는 30N 이상의 밀착력이 요구되며, 공구 및 금형의 코팅재에 적용하기 위해서는 적어도 50N의 밀착력이 확보되어야 한다.Accordingly, the required adhesion force between the coating layer and the base material is different according to the application field of the coating material. An adhesion force of 30 N or more is required to be applied to an automotive coating material, and at least 50 N to be applied to a coating material of a tool and a mold. Adhesion must be secured.

한편, 최근에는 한가지 기능만이 아닌 다목적 기능을 가진 코팅층에 대해 연구 및 보고되고 있으며, 코팅층의 수요가 늘어나면서 코팅의 수명에 관한 연구 또한 활발히 진행되고 있다. 코팅층의 수명과 밀접한 관계가 있는 가장 요소는 밀착력이며 밀착력이 확보되지 못한 코팅은 제품에 적용을 할 수가 없게 된다.On the other hand, in recent years has been researched and reported on the coating layer having a multi-purpose function, not just one function, and research on the life of the coating is also actively progressed as the demand of the coating layer increases. The most important factor that is closely related to the life of the coating layer is adhesion, and coatings that are not secured can not be applied to the product.

예를 들어, 고경도의 코팅층과 스틸 베이스의 기판 사이의 물성 차이(경도, 탄성계수, 열팽창 계수, 코팅층의 잔류응력 등)에 의해 발생하는 박리 현상을 막기 위해서는 코팅층과 기판 사이의 밀착력을 향상시키는 것이 필수적인 것이다.For example, the adhesion between the coating layer and the substrate may be improved to prevent peeling caused by the difference in physical properties (hardness, elastic modulus, thermal expansion coefficient, residual stress of the coating layer, etc.) between the high hardness coating layer and the steel base substrate. Is essential.

즉, 특성이 상이한 코팅층과 금속 기판 사이의 물성차이를 감소시켜 밀착력을 향상시키는 방법으로서, 가장 많이 사용되는 기술이 버퍼층(중간층)을 삽입하여 밀착력을 확보하는 동시에 내충격성도 우수하게 하는 것이다.That is, as a method of improving the adhesion by reducing the difference in physical properties between the coating layer and the metal substrate having different properties, the most commonly used technique is to insert a buffer layer (intermediate layer) to secure the adhesion and also to provide excellent impact resistance.

도 1은 상기한 버퍼층이 형성된 구조를 설명하기 위한 도면으로, 도시된 바와 같이 고경도의 코팅층 밑에 특정 물질의 버퍼층을 적어도 하나 이상 형성함으로써, 기판과 고경도층 사이의 물성차이를 최소화하여 밀착력 저하 문제를 해결하고 있다.FIG. 1 is a view for explaining a structure in which the buffer layer is formed. As shown in FIG. 1, at least one buffer layer of a specific material is formed under a high hardness coating layer, thereby minimizing physical property differences between the substrate and the high hardness layer, thereby reducing adhesion. Solving the problem

이에, 밀착력에 영향을 미치는 요인을 살펴보면, 공정부분과 코팅, 그리고 모재 이렇게 3가지가 주요 요인으로서 관여한다.Thus, when looking at the factors affecting the adhesion, the three main factors are involved, such as the process part, coating, and the base material.

먼저, 첫 번째로 공정부분에 대한 요인은, 코팅 방법을 의미하며 다양한 코팅방법에(PECVD, Evaporation, AIP, Sputter, spin coating 등)에 의해 밀착력이 차이가 발생하게 된다.First of all, the factor for the process part means the coating method, and the adhesion force is caused by various coating methods (PECVD, Evaporation, AIP, Sputter, spin coating, etc.).

두 번째로, 코팅부분에 대한 요인에서는 코팅의 조성, 즉 고분자인지 세라믹인지 금속인지에서 밀착력 차이가 있으며, 코팅의 물리적 특성에 따라 차이가 있고, 특히 고경도일수록 잔류응력과 탄성계수에서 일반 스틸과 상당한 물성차이를 보이므로 고밀착력을 확보하는 데에 어려움이 따른다.Second, there is a difference in adhesion between coating composition, ie, polymer, ceramic or metal, depending on the physical properties of the coating. The higher the hardness, the higher the residual stress and elastic modulus. Since there is a considerable difference in physical properties, it is difficult to secure high adhesion.

마지막으로 모재에 대한 요인은 모재의 기계적 특성인 경도, 탄성력 열팽창에 따라 차이가 있으며, 표면 조도 및 오염상태에도 민감하게 관여한다. 이러한 요소의 대부분은 일반적으로 한번 결정되면 바꾸기가 어려운 변수들이다. 따라서, 많은 연구들에서 코팅층의 물성과 모재의 특성을 완충시켜 줄 수 있는 중간층(버퍼층)을 삽입하여 밀착력을 확보하는 방법을 사용하고 있으며, 이러한 중간층 삽입은 밀착력 향상과 더불어 충분한 층으로 형성시 코팅층의 내충격성 향상에도 좋은 영향을 미치는 것으로 알려져 있다.Finally, the factors for the base material are different depending on the mechanical properties of the base material, such as hardness and elastic force thermal expansion, and are sensitive to surface roughness and contamination. Most of these factors are usually variables that are difficult to change once determined. Therefore, many studies have used a method of securing adhesion by inserting an intermediate layer (buffer layer) that can buffer the properties of the coating layer and the properties of the base material. It is also known to have a good effect on improving the impact resistance of.

특히, 한 층의 중간층으로서 밀착력 향상이 확보되지 않을 경우, 두 개 이상의 층을 복합적으로 사용하게 되는데, 너무 많은 중간층 물질이 사용될 경우, 장비가 복잡해지는 문제점이 있고, 원래 사용되는 코팅 물질과 다를 경우, 다수의 타겟을 사용하게 되면서 실제 코팅층 형성에 사용되는 타겟의 수가 부족하게 되어 코팅층 성막 속도가 낮아지는 문제점이 발생한다.In particular, when the adhesion improvement is not secured as an intermediate layer of one layer, two or more layers are used in combination, and when too many intermediate layer materials are used, there is a problem in that the equipment is complicated and different from the original coating materials. As a result of using a plurality of targets, the number of targets actually used for forming the coating layer is insufficient, resulting in a low coating layer deposition rate.

따라서, 현재까지 중간층으로 많이 사용되고 있는 물질은 고경도 코팅층을 형성시키는데 사용되는 원료 물질을 이용하여 개발하는 것이 일반적이다. 즉, TiN, CrN, TiAlN 등과 같은 고경도 코팅층의 형성에 원료 물질로 활용되는 Ti, Cr Al, Si 등이 사용된다.Therefore, the materials which are widely used as intermediate layers to date are generally developed using the raw materials used to form the high hardness coating layer. That is, Ti, Cr Al, Si, or the like used as a raw material for the formation of a high hardness coating layer such as TiN, CrN, TiAlN, or the like is used.

그러나, 이러한 중간층도 모재와 코팅 물질에 따라 특성이 바뀌게 되고 최적의 중간층 두께에 대한 결과도 사용되는 환경에 따라 바뀌게 됨으로써, 각 코팅층 별로 최적의 중간층 형성에 대한 연구가 매우 중요하다.However, such intermediate layers are also changed according to the base material and the coating material, and the result of the optimum intermediate layer thickness is also changed depending on the environment used, and thus, research on the optimum intermediate layer formation for each coating layer is very important.

대한민국 특허 공개번호 10-2009-0013719Republic of Korea Patent Publication No. 10-2009-0013719

본 발명은 전술한 바와 같은 종래의 문제점을 해결하기 위하여 안출한 것으로, 코팅층이 적용되는 분야에 따라 기판과 코팅층 사이에 해당 부품에서 요구되는 중간층의 밀착력을 확보하도록 한 MoN-Cu 코팅층 제조방법 및 그 MoN-Cu 코팅층을 제공하는 데 있다.The present invention has been made in order to solve the conventional problems as described above, MoN-Cu coating layer manufacturing method for ensuring the adhesion of the intermediate layer required in the component between the substrate and the coating layer according to the field to which the coating layer is applied and its To provide a MoN-Cu coating layer.

상기와 같은 목적을 달성하기 위한 본 발명의 코팅층 제조방법은, 스틸재로 이루어진 기판과, 상기 기판에 코팅되는 MoN-Cu층 간의 밀착성 향상을 위해, MoN-Cu층을 코팅하기 이전에 상기 기판의 표면에 Mo-Cu 합금타겟을 이용하여 중간층을 스퍼터링 코팅하는 중간층 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.The coating layer manufacturing method of the present invention for achieving the above object is, before the coating of the MoN-Cu layer to improve the adhesion between the substrate made of steel and the MoN-Cu layer coated on the substrate It characterized in that it comprises an intermediate layer coating step of sputtering coating the intermediate layer using the Mo-Cu alloy target on the surface.

한편, 다른 코팅층 제조방법은, 스틸재로 이루어진 기판과, 상기 기판에 코팅되는 MoN-Cu층 간의 밀착성 향상을 위해, MoN-Cu층을 코팅하기 이전에 상기 기판의 표면에 Ti 타겟을 이용하여 중간층을 스퍼터링 코팅하는 중간층 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, another coating layer manufacturing method, in order to improve the adhesion between the substrate made of steel and the MoN-Cu layer coated on the substrate, the intermediate layer using a Ti target on the surface of the substrate before coating the MoN-Cu layer It characterized in that it comprises an intermediate layer coating step of sputtering coating.

상기 중간층 코팅단계에서, 상기 중간층이 코팅되는 두께를 조절하여 중간층의 밀착력을 제어한다.In the intermediate layer coating step, by controlling the thickness of the intermediate layer is coated to control the adhesion of the intermediate layer.

상기 중간층 코팅단계에서, 상기 중간층의 두께가 코팅공정 시간에 비례하여 두껍게 코팅 형성된다.In the intermediate layer coating step, the thickness of the intermediate layer is formed in a thick coating in proportion to the coating process time.

한편, 본 발명의 코팅층 제조방법은, 스틸재로 이루어진 기판의 표면을 세정하여 불순물을 제거하는 불순물 제거단계와; 상기 기판의 표면에 Mo-Cu 합금타겟을 이용하여 스퍼터링법에 의해 중간층을 코팅하는 중간층 코팅단계; 및 상기 중간층의 표면에 Mo-Cu 합금타겟과 질소를 이용하여 스퍼터링법에 의해 MoN-Cu층을 질화 코팅하는 MoN-Cu층 코팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the coating layer manufacturing method of the present invention, the impurity removal step of removing impurities by cleaning the surface of the substrate made of a steel material; An intermediate layer coating step of coating an intermediate layer by sputtering on the surface of the substrate by using a Mo—Cu alloy target; And a MoN—Cu layer coating step of nitriding the MoN—Cu layer by sputtering using a Mo—Cu alloy target and nitrogen on the surface of the intermediate layer.

다른 코팅층 제조방법은, 스틸재로 이루어진 기판의 표면을 세정하여 불순물을 제거하는 불순물 제거단계와; 상기 기판의 표면에 Ti 타겟을 이용하여 스퍼터링법에 의해 중간층을 코팅하는 중간층 코팅단계; 및 상기 중간층의 표면에 Mo-Cu 합금타겟과 질소를 이용하여 스퍼터링법에 의해 MoN-Cu층을 질화 코팅하는 MoN-Cu층 코팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 한다.Another coating layer manufacturing method includes an impurity removal step of removing impurities by cleaning a surface of a substrate made of a steel material; An intermediate layer coating step of coating the intermediate layer on the surface of the substrate by sputtering using a Ti target; And a MoN—Cu layer coating step of nitriding the MoN—Cu layer by sputtering using a Mo—Cu alloy target and nitrogen on the surface of the intermediate layer.

상기 불순물 제거단계에서, 상기 기판은 하이스강으로 이루어지며, 상기 기판을 Q/T(Quenching/Tempering) 열처리한다.In the impurity removal step, the substrate is made of high-pressure steel, and the substrate is subjected to Q / T (Quenching / Tempering) heat treatment.

상기 불순물 제거단계에서 상기 기판을 폴리싱 연마하여 표면 조도를 향상시킨다.In the impurity removal step, the substrate is polished and polished to improve surface roughness.

상기 불순물 제거단계는, 에탄올을 이용하여 상기 기판의 표면을 초음파 세척하며; 챔버의 내부에 기판을 장입한 후, Ar 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 기판에 바이어스전압을 인가함으로써, 기판의 주변에 플라즈마를 생성하여 기판의 표면을 이온세정한다.The impurity removing step may include ultrasonic cleaning of the surface of the substrate using ethanol; After the substrate is charged into the chamber, a bias voltage is applied to the substrate under an Ar gas atmosphere and a pressure of 1 to 10 mtorr, thereby generating plasma around the substrate to ion-clean the surface of the substrate.

상기 중간층 코팅단계는, 챔버의 내부에 중간층 코팅을 위한 Mo-Cu 합금타겟 또는 Ti 타겟을 구비하며, 상기 챔버의 내부에 Ar 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 상기 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 상기 기판의 표면에 중간층을 코팅한다.The intermediate layer coating step includes a Mo-Cu alloy target or a Ti target for coating the intermediate layer inside the chamber, the sputtering method using the target at an Ar gas atmosphere and a pressure of 1 ~ 10 mtorr inside the chamber. An intermediate layer is coated on the surface of the substrate.

상기 MoN-Cu층 코팅단계는, 챔버의 내부에 MoN-Cu층 코팅을 위한 타겟을 구비하며, 상기 챔버의 내부에 Ar과 N2의 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 상기 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 상기 기판의 표면에 MoN-Cu층을 질화 코팅한다.The MoN-Cu layer coating step is provided with a target for coating the MoN-Cu layer inside the chamber, the sputtering method using the target in the gas atmosphere of Ar and N2 and the pressure of 1 ~ 10 mtorr inside the chamber The NiN-Cu layer is nitride coated on the surface of the substrate.

한편, 본 발명의 코팅층은, 스틸재로 이루어진 기판과, 상기 기판에 코팅되는 MoN-Cu층 간의 밀착성을 향상시킬 수 있도록 상기 기판과 MoN-Cu층 사이에 Mo-Cu 합금타겟에 의해 코팅되는 중간층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.On the other hand, the coating layer of the present invention, the intermediate layer coated by the Mo-Cu alloy target between the substrate and the MoN-Cu layer to improve the adhesion between the substrate made of steel and the MoN-Cu layer coated on the substrate It characterized by including.

본 발명의 다른 코팅층은, 스틸재로 이루어진 기판과, 상기 기판에 코팅되는 MoN-Cu층 간의 밀착성을 향상시킬 수 있도록 상기 기판과 MoN-Cu층 사이에 Ti 타겟에 의해 코팅되는 중간층;을 포함하는 것을 특징으로 한다.Another coating layer of the present invention, an intermediate layer coated by a Ti target between the substrate and the MoN-Cu layer to improve the adhesion between the substrate made of steel and the MoN-Cu layer coated on the substrate; It is characterized by.

상기한 과제 해결수단을 통해 본 발명은, Mo-Cu 중간층 또는 Ti 중간층 코팅을 통해 높은 밀착력을 갖는 MoN-Cu 코팅층을 제조함으로써, 높은 경도와 밀착력, 그리고 우수한 마찰특성을 요하는 다양한 부품에 적용 가능한 효과가 있다.The present invention through the above problem solving means, by producing a MoN-Cu coating layer having a high adhesion through the coating of the Mo-Cu interlayer or Ti interlayer, it is applicable to a variety of parts requiring high hardness, adhesion and excellent friction properties It works.

특히, Mo-Cu 중간층 또는 Ti 중간층 모두 자동차 분야에서 요구하는 30N 이상의 밀착력과 우수한 마찰 특성을 나타냄으로써, 자동차 분야의 주요 부품은 물론, 자동차 분야에서 코팅기술이 필요한 여러 부품들과 함께 자동차의 주요 구동부품에 적용이 가능한 효과도 있다.In particular, both Mo-Cu interlayer or Ti interlayers exhibit 30N adhesion and excellent friction characteristics, which are required in the automotive sector, leading not only the major components of the automotive field but also the various components requiring coating technology in the automotive field. There is also an effect that can be applied to parts.

더욱이, Ti 중간층의 경우 50N 이상의 높은 밀착력이 확보됨으로써, 내마모 방지를 위한 다양한 공구 및 금형, 기계 부품에 적용이 가능한 효과도 있다.Furthermore, in the case of the Ti interlayer, a high adhesion force of 50N or more is secured, so that the Ti interlayer can be applied to various tools, molds, and mechanical parts for preventing wear.

도 1은 일반적인 고경도 코팅층의 밀착력 향상을 위한 중간층이 형성된 형상을 나타낸 도면,
도 2는 본 발명의 MoN-Cu 코팅층 제조방법에 의해 기판에 중간층과 MoN-Cu 층이 코팅된 형태의 구조를 개략적으로 나타낸 도면,
도 3은 본 발명의 MoN-Cu 코팅층 제조에 적용되는 장비를 개략적으로 나타낸 도면,
도 4는 본 발명에 의한 Mo-Cu 중간층 및 Ti 중간층과, 비교예로서 코팅된 중간층들을 각각 스트래치 테스트한 후 광학으로 임계하중을 분석한 결과,
도 5는 본 발명에 의해 코팅된 중간층에 사용된 재료와 비교예로서 코팅된 중간층에 사용된 재료들의 탄성률을 비교하여 나타낸 도면,
도 6은 본 발명의 Ti 중간층이 적용되어 코팅된 MoN-Cu 코팅층과, 비교예로서 다른 재료의 중간층 및 중간층이 없이 코팅된 MoN-Cu 코팅층에 대한 로크웰 C 테스트 압입 흔적과 함께 HF1~HF6 단계의 압입흔 형상의 데이터,
도 7은 본 발명에 의한 Mo-Cu 합금타겟에서 Cu 함량에 따른 MoN-Cu 코팅층의 조도를 측정한 AFM 데이터,
도 8은 본 발명의 MoN-Cu 코팅층에 대한 HRTEM 분석 결과,
도 9는 본 발명의 MoN-Cu 코팅층에서 Mo와 Cu의 조성비율별로 건식환경 및 오일환경에서의 마찰계수를 측정한 결과,
도 10은 본 발명의 MoN-Cu 코팅층에서 Mo와 Cu의 조성비율별로 건식환경 및 오일환경에서의 ball on disc 법에 의한 마모 실험후 측정된 마모 트랙의 크기를 나타낸 도면,
도 11은 본 발명에 의한 MoN-10at% Cu 코팅층과 DLC를 GF4(MoDTC)오일에서 마모 실험 후 마모 트랙의 형상을 비교하여 나타낸 도면,
도 12는 본 발명에 의한 Ti 중간층의 두께별 스크래치 테스트 결과,
도 13은 본 발명에 의한 MoN-Cu 코팅층의 적용이 가능한 자동차 분야의 주요 부품들을 나타낸 도면,
도 14는 자동차에서 코팅 기술이 적용되는 대표적인 부분(왼쪽)과, DLC 코팅이 적용되는 구동부품(오른쪽)을 나타낸 도면,
도 15는 본 발명에 의한 MoN-Cu 코팅층의 적용이 가능한 금형, 공구 및 각종 기계 부품을 나타낸 도면.
1 is a view showing a shape in which an intermediate layer is formed for improving adhesion of a general high hardness coating layer;
2 is a view schematically showing a structure in which an intermediate layer and a MoN-Cu layer are coated on a substrate by a method of manufacturing a MoN-Cu coating layer of the present invention;
3 is a view schematically showing equipment applied to the production of MoN-Cu coating layer of the present invention,
Figure 4 shows the Mo-Cu intermediate layer and Ti intermediate layer according to the present invention, and after the stretch test of the coated intermediate layers as a comparative example, the critical load was analyzed by optical,
Figure 5 is a view showing a comparison of the elastic modulus of the material used in the coated intermediate layer and the material used in the intermediate layer coated by the present invention,
FIG. 6 shows the steps of HF1 to HF6 with the MoN-Cu coating layer coated with the Ti intermediate layer of the present invention, and the Rockwell C test indentation traces for the MoN-Cu coating layer coated without and without the intermediate layer as another example. Indentation shape data,
7 is AFM data of measuring the roughness of the MoN-Cu coating layer according to the Cu content in the Mo-Cu alloy target according to the present invention,
8 is an HRTEM analysis of the MoN-Cu coating layer of the present invention,
9 is a result of measuring the friction coefficient in the dry environment and oil environment according to the composition ratio of Mo and Cu in the MoN-Cu coating layer of the present invention,
10 is a view showing the size of the wear track measured after the wear test by the ball on disc method in the dry environment and oil environment by the composition ratio of Mo and Cu in the MoN-Cu coating layer of the present invention,
11 is a view showing a comparison of the shape of the wear track after the abrasion test in GF4 (MoDTC) oil MoN-10at% Cu coating layer and DLC according to the present invention,
12 is a scratch test results for each thickness of the Ti intermediate layer according to the present invention,
13 is a view showing the main parts of the automotive field applicable to the MoN-Cu coating layer according to the present invention,
14 is a view showing a representative part (left) to which coating technology is applied in a vehicle, and a driving part (right) to which a DLC coating is applied;
15 is a view showing a mold, a tool, and various mechanical parts applicable to the MoN-Cu coating layer according to the present invention.

본 발명의 바람직한 실시예를 첨부된 도면에 의하여 상세히 설명하면 다음과 같다.DETAILED DESCRIPTION OF THE PREFERRED EMBODIMENTS Hereinafter, preferred embodiments of the present invention will be described in detail with reference to the accompanying drawings.

도 2는 본 발명에 의한 기판(10)에 중간층(20)과, MoN-Cu층(30)이 코팅된 형태의 구조를 나탄내 도면이다.2 is a diagram illustrating a structure in which the intermediate layer 20 and the MoN-Cu layer 30 are coated on the substrate 10 according to the present invention.

도면을 참조하면, 본 발명에 의한 MoN-Cu 코팅층 제조방법은, 스틸재로 이루어진 기판(10)의 표면을 세정하여 불순물을 제거하는 불순물 제거단계와, 상기 기판(10)의 표면에 Mo-Cu 합금타겟을 이용하여 스퍼터링법에 의해 중간층(20)을 코팅하는 중간층 코팅단계 및, 상기 중간층(20)의 표면에 Mo-Cu 합금타겟과 질소를 이용하여 스퍼터링법에 의해 MoN-Cu층(30)을 질화 코팅하는 MoN-Cu층 코팅단계를 포함하여 구성된다.Referring to the drawings, the method of manufacturing a MoN-Cu coating layer according to the present invention, the impurity removal step of removing impurities by cleaning the surface of the substrate 10 made of a steel material, Mo-Cu on the surface of the substrate 10 Interlayer coating step of coating the intermediate layer 20 by the sputtering method using the alloy target, MoN-Cu layer 30 by the sputtering method using Mo-Cu alloy target and nitrogen on the surface of the intermediate layer 20 It comprises a MoN-Cu layer coating step of nitriding the coating.

여기서, 상기 중간층(20)에 적용되는 타겟으로 Mo-Cu 합금타겟 대신에 Ti 타겟이 적용될 수 있다.Here, the Ti target may be applied instead of the Mo-Cu alloy target as the target applied to the intermediate layer 20.

이같은 코팅층 제조방법에 의해 상기 기판(10)의 표면에 Mo-Cu 또는 Ti의 중간층(20)이 코팅될 수 있으며, 상기 중간층(20)의 표면에 MoN-Cu층(30)이 코팅되어 MoN-Cu 코팅층을 제조할 수 있게 된다.By the method of manufacturing the coating layer, the intermediate layer 20 of Mo-Cu or Ti may be coated on the surface of the substrate 10, and the MoN-Cu layer 30 is coated on the surface of the intermediate layer 20 to form MoN- Cu coating layer can be manufactured.

본 발명은, 상기 불순물 제거단계에서, 상기 기판(10)이 하이스강(HSS : High Speed Steel)으로 이루어지며, 상기 기판(10)을 Q/T(Quenching/Tempering) 열처리한다. 즉, 상기한 Q/T 열처리를 통해 자동차 부품의 경우, 침탄시 얻어지는 표면 경도를 갖도록 하며, 이는 700Hv 이상의 경도일 수 있다.In the present invention, in the impurity removal step, the substrate 10 is made of High Speed Steel (HSS), and the substrate 10 is subjected to Q / T (Quenching / Tempering) heat treatment. That is, in the case of automotive parts through the above Q / T heat treatment, to have a surface hardness obtained during carburization, which may be a hardness of 700Hv or more.

본 발명은, 상기 불순물 제거단계에서 상기 기판(10)을 폴리싱 연마하여 표면 조도를 향상시키는 것으로, 상기 하이스강을 기계적으로 폴리싱하여 표면조도(Ra)를 높이게 된다.The present invention is to improve the surface roughness by polishing and polishing the substrate 10 in the impurity removing step, and the surface roughness Ra is increased by mechanically polishing the steel.

본 발명의 불순물 제거단계를 구체적으로 살펴보면, 먼저 에탄올을 이용하여 상기 기판(10)의 표면을 10~20분 동안 초음파 세척한다. 이후, 챔버(40)의 내부에 기판(10)을 장입한 후, 챔버(40) 내부에 Ar 가스를 투입하고, 진공펌프 등을 이용하여 챔버(40) 내부의 공정 압력을 1~10mtorr의 압력으로 유지한다. 즉, 챔버(40) 내부를 Ar 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 상기 기판(10)에 600V 이하의 바이어스전압을 인가함으로써, 기판(10)의 주변에 플라즈마를 생성하여 기판(10)의 표면을 약 10~30분 동안 이온세정한다.Looking specifically at the step of removing impurities of the present invention, first using the ethanol to ultrasonically clean the surface of the substrate 10 for 10 to 20 minutes. Thereafter, after charging the substrate 10 into the chamber 40, Ar gas is introduced into the chamber 40, and the process pressure inside the chamber 40 is set to 1-10 mtorr using a vacuum pump or the like. Keep it. That is, by applying a bias voltage of 600 V or less to the substrate 10 in the pressure of 1 to 10 mtorr with the Ar gas atmosphere inside the chamber 40, a plasma is generated around the substrate 10 to generate plasma. Ionize the surface for about 10-30 minutes.

상기 중간층 코팅단계는, 챔버(40)의 내부에 중간층(20) 코팅을 위한 Mo-Cu 합금타겟 또는 Ti 타겟을 구비하며, 상기 챔버(40)의 내부에 Ar 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 상기 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 상기 기판(10)의 표면에 중간층(20)을 코팅한다.The intermediate layer coating step includes a Mo-Cu alloy target or Ti target for coating the intermediate layer 20 inside the chamber 40, and an Ar gas atmosphere and a pressure of 1 to 10 mtorr in the chamber 40. The intermediate layer 20 is coated on the surface of the substrate 10 by the sputtering method using the target.

즉, 챔버(40)의 내부에 기판(10)이 장입된 상태에서, 챔버(40) 내부에 Ar 가스를 투입하고, 진공펌프 등을 이용하여 챔버(40) 내부의 공정 압력을 1~10mtorr의 압력으로 유지한다. 그리고, 상기 기판(10)에 300~400W의 전원을 인가하여 기판(10)의 표면에 10~20분 동안 중간층(20)을 코팅한다.That is, in a state where the substrate 10 is loaded in the chamber 40, Ar gas is introduced into the chamber 40, and the process pressure in the chamber 40 is increased by 1 to 10 mtorr using a vacuum pump or the like. Maintain pressure Then, by applying a power of 300 ~ 400W to the substrate 10 to coat the intermediate layer 20 on the surface of the substrate 10 for 10 to 20 minutes.

상기 MoN-Cu층 코팅단계는, 챔버(40)의 내부에 MoN-Cu층(30) 코팅을 위한 타겟을 구비하며, 상기 챔버(40)의 내부에 Ar과 N2의 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 상기 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 상기 기판(10)의 표면에 MoN-Cu층(30)을 질화 코팅한다.The MoN-Cu layer coating step, having a target for coating the MoN-Cu layer 30 in the chamber 40, the gas atmosphere of Ar and N 2 and 1 ~ 10 mtorr in the chamber 40 NiN coating the MoN—Cu layer 30 on the surface of the substrate 10 by the sputtering method using the target at a pressure of.

즉, 챔버(40)의 내부에 기판(10)이 장입된 상태에서, 챔버(40) 내부에 Ar과 N2 가스를 1 : 0.1~10의 부피비율로 투입하고, 진공펌프 등을 이용하여 챔버(40) 내부의 공정 압력을 1~10mtorr의 압력으로 유지하여 기판(10)의 표면에 10~20분 동안 MoN-Cu층(30)을 코팅한다.That is, in a state where the substrate 10 is loaded in the chamber 40, Ar and N 2 gas are introduced into the chamber 40 at a volume ratio of 1: 0.1 to 10, and the chamber is formed using a vacuum pump or the like. 40 maintains the process pressure inside the pressure of 1 ~ 10mtorr to coat the MoN-Cu layer 30 on the surface of the substrate 10 for 10 to 20 minutes.

한편, 본 발명의 MoN-Cu 코팅층은, 스틸재로 이루어진 기판(10)과, 상기 기판(10)에 코팅되는 MoN-Cu층(30) 간의 밀착성을 향상시킬 수 있도록 상기 기판(10)과 MoN-Cu층(30) 사이에 Mo-Cu 합금타겟에 의해 코팅되는 중간층(20)을 포함하여 구성된다. 여기서, 상기 중간층(20)은 Mo-Cu 합금타겟 대신에 Ti 타겟에 의해 코팅될 수 있다.On the other hand, MoN-Cu coating layer of the present invention, the substrate 10 and the MoN to improve the adhesion between the substrate 10 made of steel and the MoN-Cu layer 30 coated on the substrate 10 It is configured to include an intermediate layer (20) coated by the Mo-Cu alloy target between the -Cu layer (30). Here, the intermediate layer 20 may be coated by a Ti target instead of Mo-Cu alloy target.

즉, 도 2에 도시된 바와 같이, 기판(10)의 표면에 Mo-Cu 합금타겟이나 Ti 타겟을 이용하여 Mo-Cu 또는 Ti의 중간층(20)이 코팅되며, 상기 중간층(20)의 표면에 MoN-Cu층(30)이 코팅된다.
That is, as shown in FIG. 2, the intermediate layer 20 of Mo-Cu or Ti is coated on the surface of the substrate 10 by using a Mo-Cu alloy target or a Ti target, and the surface of the intermediate layer 20 is coated on the surface of the substrate 10. MoN-Cu layer 30 is coated.

본 발명의 작용 및 효과를 첨부된 도면에 의해 살펴본다.The operation and effects of the present invention will be described with reference to the accompanying drawings.

본 발명은 하이스강(HSS : high speed steel) 위에 경도가 25∼27GPa인 MoN-Cu 코팅을 스퍼터법으로 코팅하되, 중간층(20)(버퍼층) 코팅에 따른 밀착력과 파괴 거동 등을 살펴보았으며, 아울러 중간층(20)에 최적의 두께와 재료에 따른 기계적 특성을 확인하였다.The present invention was coated with a MoN-Cu coating having a hardness of 25 to 27 GPa on a high speed steel (HSS) by sputtering, and the adhesion and fracture behaviors of the intermediate layer 20 (buffer layer) were examined. In addition, the optimum thickness and mechanical properties of the intermediate layer 20 were confirmed.

이같은 코팅을 위해, 상기 하이스강은 Q/T 열처리를 통해 자동차 부품의 경우 침탄시 얻어지는 표면 경도와 같은 700Hv정도의 경도를 갖도록 하였으며, 또한 기계적으로 폴리싱하여 표면 조도(Ra)가 0.01㎛가 되도록 연마하였다.For this coating, the high-speed steel was made to have a hardness of about 700 Hv equal to the surface hardness obtained during carburization through Q / T heat treatment, and also polished to have a surface roughness (Ra) of 0.01 μm by mechanical polishing. It was.

아울러, 코팅 공정 전 에탄올을 이용하여 상기 기판(10)의 표면을 15분간 초음파 세척하였다. 그리고 챔버(40) 내부에 Ar 가스를 투입하고, 내부를 5mtorr의 공정압력으로 유지하면서, 기판(10)에 600V 이하의 바이어스 전압을 인가함으로써, 플라즈마를 생성하여 20분간 이온세정에 의해 기판(10) 위에 불순물을 제거하였다.In addition, the surface of the substrate 10 by ultrasonic cleaning for 15 minutes using ethanol before the coating process. The Ar gas is introduced into the chamber 40 and a bias voltage of 600 V or less is applied to the substrate 10 while maintaining the inside at a process pressure of 5 mtorr, thereby generating a plasma and cleaning the substrate 10 by ion cleaning for 20 minutes. Impurities) were removed on the substrate.

이 후, 도 3과 같이 챔버(40) 내부에 중간층(20) 코팅용 타겟과 MoN-Cu층(30) 코팅용 합금타겟을 동시에 설치하여 중간층(20)과 MoN-Cu층(30)을 코팅 형성하였다. 상기와 같이 사용되는 타겟의 크기는 약 3인치의 직경을 갖는 크기일 수 있다.After that, as shown in FIG. 3, the target for coating the intermediate layer 20 and the alloy target for coating the MoN-Cu layer 30 are simultaneously installed in the chamber 40 to coat the intermediate layer 20 and the MoN-Cu layer 30. Formed. The size of the target used as above may be a size having a diameter of about 3 inches.

중간층(20)을 코팅하는 방법을 구체적으로 살펴보면, 중간층(20) 코팅을 위한 타겟의 하부에 기판(10)을 회전 가능하게 구비하며, 상기 기판(10)과 타겟 사이를 대략 7㎝로 조정하여 Ar 가스분위기에서 5mtorr의 공정압력으로 약 15분간 중간층(20)을 코팅한다. 이때, 기판(10)에 가해지는 전원은 300~400W로 하여 코팅층을 형성한다.Looking at the method of coating the intermediate layer 20 in detail, the substrate 10 is rotatably provided on the lower portion of the target for the intermediate layer 20 coating, by adjusting the distance between the substrate 10 and the target to about 7 cm In the Ar gas atmosphere, the intermediate layer 20 is coated for about 15 minutes at a process pressure of 5 mtorr. At this time, the power applied to the substrate 10 is 300 ~ 400W to form a coating layer.

이 후, 상기 기판(10)을 회전 이동시켜 Mo-Cu 합금타겟의 하부에 기판(10)을 위치시키며, 상기 기판(10)과 타겟의 위치는 7㎝를 그대로 유지한다. 그리고, 상기 챔버(40) 내부에 Ar과 N2 가스분위기에서 5mtorr의 공정 압력에서 반응성 질화 공정을 진행한다. Thereafter, the substrate 10 is rotated to move the substrate 10 under the Mo-Cu alloy target, and the position of the substrate 10 and the target is 7 cm. In the chamber 40, a reactive nitriding process is performed at a process pressure of 5 mtorr in an Ar and N 2 gas atmosphere.

상기와 같은 방법에 의해 코팅된 중간층(20)의 특성을 확인하기 위해, 상기 중간층(20)을 다양한 코팅조건으로 실험하였으며, 이를 아래의 표 1에 정리하였다.In order to confirm the properties of the intermediate layer 20 coated by the above method, the intermediate layer 20 was tested under various coating conditions, which are summarized in Table 1 below.

실험예Experimental Example 비교 시편Comparative specimen 중간층 없이 기판에 MoN-Cu층 코팅MoN-Cu coating on substrate without interlayer
중간층의 재료별 시편


Specimen Specimens for Interlayers

Cr 중간층Cr interlayer
MoCu 중간층MoCu Interlayer Mo 중간층Mo interlayer Ti 중간층Ti interlayer
중간층의 두께별 시편

Specimen by Thickness of Interlayer
Ti 중간층 (5분간 코팅)Ti interlayer (coated for 5 minutes)
Ti 중간층 (15분간 코팅)Ti interlayer (coated for 15 minutes) Ti 중간층 (30분간 코팅)Ti interlayer (coated for 30 minutes)

위의 표 1에 정리된 바와 같이, 중간층의 물질로는 Cr, Ti, Mo 그리고 합금타겟을 통해 성막이 가능한 Mo-10at% Cu 를 선정하였다. 또한, 비교 시편으로는 중간층이 없이 기판(10)에 직접 MoN-Cu층을 코팅하였다.As summarized in Table 1 above, as the material of the intermediate layer, Mo-10at% Cu capable of film formation through Cr, Ti, Mo and alloy targets was selected. In addition, as a comparative specimen, a MoN—Cu layer was directly coated on the substrate 10 without an intermediate layer.

최적 코팅층이 선정된 후 이 코팅층의 두께 영향을 5, 15, 30 분 처리된 시편을 이용하여 평가하게 되는데, 본 발명에서는 Ti을 이용하였다.After the optimum coating layer was selected, the thickness effect of the coating layer was evaluated using 5, 15, and 30 minutes treated specimens. In the present invention, Ti was used.

상기한 중간층의 밀착력을 실험하기 위한 방법으로 스크래치 테스트(scatch test)와 150 kg 로크웰 인덴테이션 테스트(Rockwell C scale indentation test) (Benz test)를 들 수 있다.The scratch test and the 150 kg Rockwell C scale indentation test (Benz test) may be used as a method for testing the adhesion of the intermediate layer.

스크래치(scratch test)는 둥근 탐사침(stylus)을 이용하여 코팅에 하중을 증가시키며 기판(10)을 일정한 속도로 이동하여 박막이 벗겨질 때의 임계하중 값을 가지고 접착력을 추정하는 방법이다. 스크래치 테스트는 시편 준비가 용이하고 측정이 빠른 장점이 있으나 코팅 면에 대한 파괴적 분석이며 코팅과 접착력과의 관계가 명확히 규명되지 못해 결과해석이 어려운 단점이 있다.Scratch test is a method of increasing the load on the coating by using a round stylus and moving the substrate 10 at a constant speed to estimate the adhesive force with a critical load value when the thin film is peeled off. Scratch test has the advantage of easy specimen preparation and quick measurement, but it is a destructive analysis on the coating surface and the result is difficult to interpret because the relationship between coating and adhesion is not clearly identified.

인덴테이션(indentation) 방법은 코팅위에 로크웰 C 비커스(Rokwell. C, Vickers)를 압입하여 압입흔적과, 주변에서 발생하는 크랙 길이로 밀착력을 판단하는 방법이다. 본 발명에서 로크웰(Rokwell) C 테스트 방법을 이용하면서, 압입흔적으로 HF1∼HF6 단계로 나눠서 확인하는 방법을 추가적인 방법으로 택하여 분석하였다. 이 외에 중간층의 경도 및 탄성력 특성을 분석하기 위해 나노인덴터로 측정을 하였으며, FE-SEM을 통해 표면을 관찰하였고, 표면의 조도를 확인하기 위해 AFM 측정을 실시하였다.Indentation method is a method of indenting the adhesion force by indentation of the Rockwell C Vickers (Rokwell. C, Vickers) on the coating by the indentation trace and the crack length generated in the surroundings. Using the Rockwell C test method in the present invention, the indentation traces were divided into HF1 to HF6 steps to be identified as an additional method. In addition, the nanoindenter was measured to analyze the hardness and elastic properties of the intermediate layer, the surface was observed through FE-SEM, and AFM measurement was performed to confirm the roughness of the surface.

도 4에서는 다양한 물질을 이용하여 중간층을 형성하고, 이 후 Mo-10at% Cu 타겟을 이용하여 MoN-Cu 코팅층을 형성시킨 후에, 스크래치 테스트한 결과를 정리하였다.In FIG. 4, after forming an intermediate layer using various materials, a MoN-Cu coating layer was formed using a Mo-10at% Cu target, and the results of the scratch test are summarized.

중간층을 코팅하지 않은 MoN-Cu 코팅층과 중간층 없이 바이어스에 의해 코팅된 MoN-Cu 코팅층 모두 10.5N과 10.4N의 낮은 밀착력을 나타내었다. 또한 Cr 중간층을 형성한 경우의 밀착력도 10.2N으로 거의 비슷한 값을 나타냈다. 다만, 중간층의 물질로 Mo를 사용한 경우, 밀착력이 17.4N으로 약 70% 상승하였으나, 이 경우도 자동차 부품에서 요구하는 30N보다 낮은 밀착력을 나타내었다.Both the MoN-Cu coating layer without the intermediate layer and the MoN-Cu coating layer coated with the bias without the intermediate layer showed low adhesion of 10.5N and 10.4N. In addition, when the Cr intermediate layer was formed, the adhesion was about 10.2N, showing almost similar values. However, when Mo was used as the material of the intermediate layer, the adhesion increased by about 70% to 17.4N, but in this case, the adhesion was lower than that required by the automobile parts.

반면, 합금 타겟인 Mo-10 at% Cu를 사용하여 중간층을 형성한 경우, 밀착력이 31N 이상까지 상승하였으며, 또한 Ti를 사용한 경우, 50N이상까지 상승하여 공구 및 금형에 사용될 정도의 높은 밀착력이 관찰되었다.On the other hand, when the intermediate layer was formed using the alloy target Mo-10 at% Cu, the adhesion increased to 31N or more, and when Ti was used, the adhesion increased to 50N or higher to observe a high adhesion to be used for tools and molds. It became.

상기 스크래치 평가 결과 우수한 밀착력을 보인 Mo-Cu 합금타겟에 의한 중간층과 Ti 타겟에 의한 중간층은 도 5에서 보듯이 다른 재료에 비교하여 기판의 재료와 비슷한 우수한 탄성력을 가지는 것으로 나타났다. 또한, Mo-Cu의 중간층의 경우, 10 at% Cu가 사용될 때, 질화되지 않은 상태에서 15GPa의 높은 경도를 가지므로, 고경도의 MoN-Cu 층과 8GPa의 기판 사이에서 중간층으로서 역할을 잘할 것으로 기대되었다.As a result of the scratch evaluation, the intermediate layer using the Mo-Cu alloy target and the Ti target showing excellent adhesion showed an excellent elasticity similar to that of the material of the substrate as shown in FIG. 5. In addition, in the case of the Mo-Cu interlayer, when 10 at% Cu is used, it has a high hardness of 15 GPa in the unnitrided state, and thus will serve as an intermediate layer between the high hardness MoN-Cu layer and the 8GPa substrate. Expected.

도 6은 로크웰(Rockwell) C 테스트 방법으로 압흔 흔적을 통해 밀착력을 확인한 결과이다. 10N 정도의 낮은 밀착력을 보인 중간층 없는 MoN-Cu코팅과 중간층 없이 바이어스 전압을 가하면서 성막된 시편의 경우, 낮은 밀착력을 보였는데 로크웰 테스트 결과에서도 HF5~6의 결과를 나타냈다.6 is a result of confirming the adhesion through the indentation traces by the Rockwell C test method. In the case of specimens formed by applying the bias voltage without the interlayer without MoN-Cu coating and the interlayer without adhesion of about 10N, the adhesion was low, and the results of Rockwell test showed the results of HF5 ~ 6.

Mo-Cu 합금 타겟으로 중간층을 코팅한 MoN-Cu 코팅층의 경우, HF2 정도의 우수한 밀착력을 보였으며, Ti를 중간층으로 코팅한 코팅층의 경우, 압입 실험예에 의해서도 HF1 수준으로서 가장 우수한 밀착력을 나타내었다.The MoN-Cu coating layer coated with the Mo-Cu alloy target showed excellent adhesion as HF2, and the coating layer coated with Ti as the intermediate layer showed the best adhesion as the HF1 level even by the indentation test example. .

실험 결과 도 6과 같이 중간층이 없는 시편은 압입된 주변에 코팅이 심하게 무너져서 HF6과 같은 형태를 보이는 것으로 나타났으며, Mo 시편의 압입흔적은 주변 코팅이 갈라지는 형상이 확인되었다. 다만, Ti 시편에는 압입 주위 부분에 코팅층이 깨끗한 것을 확인하였다. 이것은 로크웰(Rockwell) C 테스트 법에서 HF지수 중 HF1에 해당하였다. 도 6의 우측편에 인덴테이션 테스트의 비교대상이 되는 기준 그림을 정리하였다. As a result of the experiment, as shown in FIG. 6, the specimen without the intermediate layer was severely collapsed around the indentation and showed the same shape as HF6, and the indentation trace of the Mo specimen was confirmed to have a shape in which the peripheral coating was split. However, the Ti specimen confirmed that the coating layer was clean around the indentation part. This corresponds to HF1 in the HF index in the Rockwell C test method. On the right side of FIG. 6, the reference figure used as the comparison object of the indentation test was put together.

다양한 중간층에 형성된 MoN-Cu 코팅층은 경도값의 차이가 있었지만, 22GPa이상의 경도값을 보였다. 특히 높은 밀착력을 보인 Mo-Cu 중간층에 형성된 코팅층은 가장 낮은 23GPa를 나타냈으나, 이보다 높은 밀착력을 보인 Ti 중간층에 형성된 코팅층의 경우, 27GPa의 가장 높은 경도값을 보였다. 특히, 중간층과 관계없이 각 코팅층의 조성은 타겟의 조성과 동일한 것으로 나타냈다.MoN-Cu coating layer formed on the various intermediate layers had a difference in hardness value, but showed a hardness value of 22 GPa or more. In particular, the coating layer formed on the Mo-Cu intermediate layer exhibiting the highest adhesion showed the lowest 23 GPa, but the coating layer formed on the Ti intermediate layer exhibiting the highest adhesion showed the highest hardness value of 27 GPa. In particular, the composition of each coating layer was shown to be the same as that of the target irrespective of the intermediate layer.

결국, 합금 타겟으로 제조된 코팅층의 경우 Mo-10at% Cu 조성의 중간층과 동일조성에 질소가 포함된 경화층으로 구성된 것으로 나타났으며, 이러한 층은 자동차 부품에서 요구하는 23GPa의 높은 경도와 30N이상의 밀착력을 보유하였고, 표면조도도인 Ra 값으로 0.1㎛ 이하의 조도를 보여서 자동차 부품에 적용시 매우 우수한 물성을 보일 것으로 나타났다.As a result, the coating layer made of the alloy target was composed of a hardened layer containing nitrogen in the same composition as the intermediate layer of Mo-10at% Cu composition, this layer has a high hardness of 23GPa and 30N or more required for automotive parts Adhesion was maintained, and surface roughness of Ra value of 0.1 ㎛ or less showed very good physical properties when applied to automobile parts.

도 7은 Mo-Cu 합금타겟을 이용하여 중간층을 형성한 후, MoN-Cu층을 형성한 코팅층의 조도를 AFM으로 측정한 결과를 나타낸 도면으로, 모든 조성에서 0.1㎚ 이하의 Ra값을 보이는 것을 알 수 있다. 7 is a view showing the results of measuring the roughness of the coating layer on which the MoN-Cu layer is formed by AFM after forming the intermediate layer using the Mo-Cu alloy target, showing that the Ra value of 0.1 nm or less in all compositions Able to know.

도 8은 MoN-Cu코팅층의 미세조직에 대한 HRTEM 분석 결과를 나타낸 것으로, 단면 조직은 SEM에서 볼 때 평범한 형태였으나 TEM 상에서 10nm 미만의 나노층 형태를 갖고 있는 것으로 관찰되었으며, 이러한 나노층 내부에 5 nm 미만의 결정립이 존재하는 것으로 관찰되었다. 또한, XRD 분석에서 Cu 층이 관찰되지 않았고 Mo2N 상이 형성된 것으로 나타났는데, HRTEM 상에 대한 제한 시야 회절 분석 결과 Mo2N 상과 Cu 상이 약하게 관찰되는 것으로 나타났다.Figure 8 shows the results of HRTEM analysis of the microstructure of the MoN-Cu coating layer, the cross-sectional structure was a normal form in the SEM, but was observed to have a nanolayer form of less than 10nm on the TEM, 5 inside the nanolayer It was observed that less than nm grains were present. In addition, XRD analysis showed no Cu layer and Mo2N phase was formed, and the limited field diffraction analysis for HRTEM phase showed weakly observed Mo2N phase and Cu phase.

한편, 도 9는 MoN-Cu코팅층의 건식환경 및 습식환경에서의 마찰계수 측정 결과를 나타낸 도면이며, 도 10은 MoN-Cu코팅층의 건식환경 및 습식환경에서 ball on disc법에 의한 마모 실험 후 측정된 마모 트랙의 크기를 비교하여 나타낸 도면으로, 자동차 구동부품에 적용 가능성을 평가하기 위하여 건식 환경(Dry)과, 습식환경(GF3오일 : A oil)(GF4오일 : B oil)에서 ball on disc법으로 마찰계수를 측정하였다.On the other hand, Figure 9 is a view showing the friction coefficient measurement results in the dry and wet environment of the MoN-Cu coating layer, Figure 10 is measured after the wear test by the ball on disc method in the dry and wet environment of the MoN-Cu coating layer This is a drawing comparing the size of the worn tracks. In order to evaluate the applicability to automobile driving parts, the ball on disc method is used in dry and wet environments (GF3 oil: A oil) and GF4 oil (B oil). The friction coefficient was measured by.

이때 하중은 10N이었으며 5 cm/sec의 회전속도에서 1000m 까지 측정하였다. 건식환경 및 GF3 오일에서는 DLC 층이 우수한 특성을 보였으마, GF4 오일에서는 MoN-7, 10 at.% Cu 코팅층이 우수한 마찰 특성을 보였다.At this time, the load was 10N and measured up to 1000m at a rotational speed of 5 cm / sec. In dry environment and GF3 oil, DLC layer showed excellent characteristics, but in GF4 oil, MoN-7, 10 at.% Cu coating layer showed excellent friction characteristics.

특히, 도 11에 도시된 바와 같이 코팅층 손상에 대한 표면층 관찰 결과, DLC 코팅은 초기에 거의 손상된 것으로 나타났으나, MoN-Cu 코팅층은 우수한 내구성을 나타내어 차세대 자동차의 코팅재로서 우수한 특성을 보이는 것으로 조사되었다. In particular, as shown in FIG. 11, the surface layer observation of the coating layer damage showed that the DLC coating was almost damaged in the early stage, but the MoN-Cu coating layer showed excellent durability as a coating material of the next-generation automobile. .

Ti 중간층의 경우는 50N 이상의 높은 밀착력을 보임으로서, 자동차 부품은 물론, 공구, 금형에까지 사용이 가능할 것이다. 최적 중간층에 대한 평가를 위해 Ti 중간층을 5분, 15분, 30분 동안 각각 성막한 후에, MoN-Cu층을 형성하여 밀착력을 측정하였으며 그 결과를 도 12에 정리하였다.In the case of the Ti interlayer, it has a high adhesive strength of 50N or more, so that it can be used not only for automobile parts but also for tools and molds. In order to evaluate the optimum interlayer, the Ti interlayer was formed for 5 minutes, 15 minutes, and 30 minutes, and then the MoN-Cu layer was formed to measure adhesion. The results are summarized in FIG. 12.

각 Ti 중간층의 두께는 5분 처리된 경우 0.2㎛, 15분 처리된 경우 0.6㎛, 30 분 처리 후 1.2㎛로 측정되었다. 밀착력 측정결과 5분 처리된 시편이 25N, 15분 처리된 시편은 앞선 시편과 같이 50N 이상으로 크게 증가하는 것으로 나타나는 반면, 30분 처리된 시편의 경우, 15N으로 감소하는 것으로 나타났다. 결국, Ti 중간층의 두께를 조절함으로써, 자동차 부품에 적용이 가능한 30N의 중간층과 금형 공구에 적용이 가능한 50N의 밀착력을 모두 확보가 가능할 것이다.The thickness of each Ti intermediate layer was measured to be 0.2 μm for 5 minutes, 0.6 μm for 15 minutes, and 1.2 μm for 30 minutes. As a result of adhesion measurement, 25N and 15 minutes treated specimens increased significantly above 50N as the previous one, while 30 minutes treated specimens decreased to 15N. Eventually, by adjusting the thickness of the Ti intermediate layer, it will be possible to secure both the 30N intermediate layer applicable to the automotive parts and the adhesion force of 50N applicable to the mold tool.

이러한 코팅층의 마찰 계수 평가 결과 Mo-Cu 합금 중간층 거의 동일한 결과를 얻을 수 있었다. 이때 마찰 특성은 표면의 고경도층의 경도, 합금 조성과 조도에 의존하는 것으로 나타났다.As a result of evaluating the friction coefficient of the coating layer, the Mo-Cu alloy intermediate layer almost the same result was obtained. The frictional properties were found to depend on the hardness, alloy composition and roughness of the high hardness layer on the surface.

한편, 본 발명에서의 높은 밀착력을 갖는 MoN-Cu 코팅층은 높은 경도와 밀착력, 우수한 마찰 특성으로 다음과 같은 다양한 분야에 적용이 가능할 것으로 기대된다.On the other hand, MoN-Cu coating layer having a high adhesion in the present invention is expected to be applicable to a variety of fields such as high hardness and adhesion, excellent friction properties.

먼저, Mo-Cu 중간층 또는 Ti 중간층을 형성하여 30N 이상의 밀착력과 우수한 마찰 특성을 보인 코팅층의 경우, 차세대 코팅재로서 도 13 및 도 14에 도시된 자동차 구동부품에 적용이 가능할 것이다.First, in the case of a coating layer having a Mo-Cu intermediate layer or a Ti intermediate layer to show the adhesion and excellent friction characteristics of 30N or more, it will be applicable to the automobile driving parts shown in FIGS. 13 and 14 as next-generation coating materials.

즉, 도 13은 본 발명의 코팅 기술 적용이 가능한 자동차 분야 주요 부품을 나타낸 도면이며, 도 14는 자동차에서 코팅 기술이 적용되는 대표적인 부분(왼쪽)과, DLC 코팅이 적용되는 구동부품(오른쪽)을 도시한 것이다.That is, Figure 13 is a view showing the main parts of the automotive field applicable to the coating technology of the present invention, Figure 14 is a representative part (left) to which the coating technology is applied in the vehicle, and the driving part (right) to which the DLC coating is applied It is shown.

도 15는 건식 표면처리 공정이 적용되고 있는 금형, 공구 및 각종 기계 부품을 나타낸 도면으로, 50N 이상의 높은 밀착력이 확보된 Ti 코팅층의 경우 내마모 방지를 위한 다양한 공구 및 금형, 기계 부품에 적용이 가능할 것이다.15 is a view showing a mold, a tool, and various mechanical parts to which a dry surface treatment process is applied, and in the case of a Ti coating layer having a high adhesion force of 50N or more, it may be applicable to various tools, molds, and mechanical parts for preventing wear. will be.

한편, 본 발명은 상기한 구체적인 예에 대해서만 상세히 설명되었지만 본 발명의 기술사상 범위 내에서 다양한 변형 및 수정이 가능함은 당업자에게 있어서 명백한 것이며, 이러한 변형 및 수정이 첨부된 특허청구범위에 속함은 당연한 것이다.On the other hand, the present invention has been described in detail only with respect to the specific examples described above it will be apparent to those skilled in the art that various modifications and variations are possible within the technical scope of the present invention, it is natural that such variations and modifications belong to the appended claims. .

10 : 기판 20 : 중간층
30 : MoN-Cu층 40 : 챔버
10 substrate 20 intermediate layer
30: MoN-Cu layer 40: chamber

Claims (13)

스틸재로 이루어진 기판(10)과, 상기 기판(10)에 코팅되는 MoN-Cu층(30) 간의 밀착성 향상을 위해, MoN-Cu층(30)을 코팅하기 이전에 상기 기판(10)의 표면에 Mo-Cu 합금타겟을 이용하여 중간층(20)을 스퍼터링 코팅하는 중간층 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.In order to improve adhesion between the substrate 10 made of steel and the MoN-Cu layer 30 coated on the substrate 10, the surface of the substrate 10 before coating the MoN-Cu layer 30. Method for producing a MoN-Cu coating layer, characterized in that it comprises an intermediate layer coating step of sputtering coating the intermediate layer 20 using the Mo-Cu alloy target. 스틸재로 이루어진 기판(10)과, 상기 기판(10)에 코팅되는 MoN-Cu층(30) 간의 밀착성 향상을 위해, MoN-Cu층(30)을 코팅하기 이전에 상기 기판(10)의 표면에 Ti 타겟을 이용하여 중간층(20)을 스퍼터링 코팅하는 중간층 코팅단계를 포함하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.In order to improve adhesion between the substrate 10 made of steel and the MoN-Cu layer 30 coated on the substrate 10, the surface of the substrate 10 before coating the MoN-Cu layer 30. MoN-Cu coating layer manufacturing method characterized in that it comprises an intermediate layer coating step of sputtering coating the intermediate layer 20 using a Ti target. 제 1항 또는 제2항에 있어서,
상기 중간층 코팅단계에서, 상기 중간층(20)이 코팅되는 두께를 조절하여 중간층(20)의 밀착력을 제어하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
3. The method according to claim 1 or 2,
In the intermediate layer coating step, MoN-Cu coating layer manufacturing method characterized in that to control the adhesion of the intermediate layer 20 by adjusting the thickness of the intermediate layer 20 is coated.
제 3항에 있어서,
상기 중간층 코팅단계에서, 상기 중간층(20)의 두께가 코팅공정 시간에 비례하여 두껍게 코팅 형성되는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
The method of claim 3, wherein
In the intermediate layer coating step, MoN-Cu coating layer manufacturing method characterized in that the thickness of the intermediate layer 20 is formed in a thick coating in proportion to the coating process time.
스틸재로 이루어진 기판(10)의 표면을 세정하여 불순물을 제거하는 불순물 제거단계와;
상기 기판(10)의 표면에 Mo-Cu 합금타겟을 이용하여 스퍼터링법에 의해 중간층(20)을 코팅하는 중간층 코팅단계; 및
상기 중간층(20)의 표면에 Mo-Cu 합금타겟과 질소를 이용하여 스퍼터링법에 의해 MoN-Cu층(30)을 질화 코팅하는 MoN-Cu층 코팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
An impurity removal step of removing impurities by cleaning the surface of the substrate 10 made of a steel material;
An intermediate layer coating step of coating the intermediate layer 20 on the surface of the substrate 10 by sputtering using Mo-Cu alloy targets; And
MoN-Cu layer coating step of nitriding the MoN-Cu layer 30 by the sputtering method using a Mo-Cu alloy target and nitrogen on the surface of the intermediate layer 20; MoN-Cu Coating layer manufacturing method.
스틸재로 이루어진 기판(10)의 표면을 세정하여 불순물을 제거하는 불순물 제거단계와;
상기 기판(10)의 표면에 Ti 타겟을 이용하여 스퍼터링법에 의해 중간층(20)을 코팅하는 중간층 코팅단계; 및
상기 중간층(20)의 표면에 Mo-Cu 합금타겟과 질소를 이용하여 스퍼터링법에 의해 MoN-Cu층(30)을 질화 코팅하는 MoN-Cu층 코팅단계;를 포함하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
An impurity removal step of removing impurities by cleaning the surface of the substrate 10 made of a steel material;
An intermediate layer coating step of coating the intermediate layer 20 on the surface of the substrate 10 by sputtering using a Ti target; And
MoN-Cu layer coating step of nitriding the MoN-Cu layer 30 by the sputtering method using a Mo-Cu alloy target and nitrogen on the surface of the intermediate layer 20; MoN-Cu Coating layer manufacturing method.
제 5항 또는 제 6항에 있어서,
상기 불순물 제거단계에서, 상기 기판(10)은 하이스강으로 이루어지며, 상기 기판(10)을 Q/T(Quenching/Tempering) 열처리하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
The method according to claim 5 or 6,
In the impurity removal step, the substrate (10) is made of a high-pressure steel, MoN-Cu coating layer manufacturing method, characterized in that the heat treatment (Q / T (Quenching / Tempering)) the substrate (10).
제 7항에 있어서,
상기 불순물 제거단계에서 상기 기판(10)을 폴리싱 연마하여 표면 조도를 향상시키는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
8. The method of claim 7,
MoN-Cu coating layer manufacturing method characterized in that to improve the surface roughness by polishing and polishing the substrate (10) in the impurity removal step.
제 5항 또는 제 6항에 있어서,
상기 불순물 제거단계는,
에탄올을 이용하여 상기 기판(10)의 표면을 초음파 세척하며;
챔버(40)의 내부에 기판(10)을 장입한 후, Ar 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 기판(10)에 바이어스전압을 인가함으로써, 기판(10)의 주변에 플라즈마를 생성하여 기판(10)의 표면을 이온세정하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
The method according to claim 5 or 6,
Wherein the impurity removing step comprises:
Ultrasonic cleaning the surface of the substrate (10) using ethanol;
After the substrate 10 is charged into the chamber 40, a bias voltage is applied to the substrate 10 under an Ar gas atmosphere and a pressure of 1 to 10 mtorr, thereby generating plasma around the substrate 10 to generate a plasma. Method for producing a MoN-Cu coating layer, characterized in that the surface of the ion (10).
제 5항 또는 제 6항에 있어서,
상기 중간층 코팅단계는,
챔버(40)의 내부에 중간층(20) 코팅을 위한 Mo-Cu 합금타겟 또는 Ti 타겟을 구비하며, 상기 챔버(40)의 내부에 Ar 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 상기 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 상기 기판(10)의 표면에 중간층(20)을 코팅하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
The method according to claim 5 or 6,
The intermediate layer coating step,
Mo-Cu alloy target or Ti target for coating the intermediate layer 20 in the interior of the chamber 40, sputtering using the target in the pressure of Ar gas atmosphere and 1 ~ 10 mtorr inside the chamber 40 Method of manufacturing a MoN-Cu coating layer, characterized in that the coating of the intermediate layer 20 on the surface of the substrate (10) by the method.
제 5항 또는 제 6항에 있어서,
상기 MoN-Cu층 코팅단계는,
챔버(40)의 내부에 MoN-Cu층(30) 코팅을 위한 타겟을 구비하며, 상기 챔버(40)의 내부에 Ar과 N2의 가스분위기와 1~10mtorr의 압력 상태에서 상기 타겟을 이용한 스퍼터링법에 의해 상기 기판(10)의 표면에 MoN-Cu층(30)을 질화 코팅하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층 제조방법.
The method according to claim 5 or 6,
The MoN-Cu layer coating step,
It is provided with a target for coating the MoN-Cu layer 30 in the chamber 40, the sputtering using the target in the gas atmosphere of Ar and N 2 and the pressure of 1 ~ 10 mtorr in the chamber 40 Method of producing a MoN-Cu coating layer, characterized in that the NiN coating the MoN-Cu layer (30) on the surface of the substrate (10) by the method.
스틸재로 이루어진 기판(10)과, 상기 기판(10)에 코팅되는 MoN-Cu층(30) 간의 밀착성을 향상시킬 수 있도록 상기 기판(10)과 MoN-Cu층(30) 사이에 Mo-Cu 합금타겟에 의해 코팅되는 중간층(20);을 포함하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층.Mo-Cu between the substrate 10 and the MoN-Cu layer 30 to improve the adhesion between the substrate 10 made of steel and the MoN-Cu layer 30 coated on the substrate 10 MoN-Cu coating layer comprising a; intermediate layer 20 coated by the alloy target. 스틸재로 이루어진 기판(10)과, 상기 기판(10)에 코팅되는 MoN-Cu층(30) 간의 밀착성을 향상시킬 수 있도록 상기 기판(10)과 MoN-Cu층(30) 사이에 Ti 타겟에 의해 코팅되는 중간층(20);을 포함하는 것을 특징으로 하는 MoN-Cu 코팅층.The Ti target is formed between the substrate 10 and the MoN-Cu layer 30 so as to improve the adhesion between the substrate 10 made of steel and the MoN-Cu layer 30 coated on the substrate 10. MoN-Cu coating layer comprising a; intermediate layer 20 is coated by.
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